JP6779216B2 - 弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、共振子や帯域フィルタなどに用いられる弾性波装置並びにこれを用いた高周波フロントエンド回路及び通信装置に関する。

従来、共振子や帯域フィルタとして、弾性波装置が広く用いられている。下記の特許文献１には、高音速支持基板上に、低音速膜、圧電膜及びＩＤＴ電極がこの順序で積層されている弾性波装置が開示されている。特許文献１では、支持基板上に、高音速膜、低音速膜、圧電膜及びＩＤＴ電極がこの順序で積層されている弾性波装置も開示されている。

高音速支持基板や高音速膜を伝搬するバルク波音速は、圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも高速である。低音速膜を伝搬するバルク波音速は、圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも低速である。

ＷＯ２０１２/０８６６３９Ａ１

特許文献１に記載の弾性波装置では高音速支持基板と低音速膜との積層体や、高音速膜及び低音速膜の積層体を用いることによりＱ値を高めることができるとされている。しかしながら、使用している圧電膜の膜厚が１．５λ以下と非常に薄かった。このため、圧電膜の膜厚ばらつきによる特性のばらつきが大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、Ｑ値が高く、圧電膜の膜厚ばらつきによる特性のばらつきが少ない弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置を提供することにある。

本発明に係る弾性波装置は、圧電膜を有する弾性波装置であって、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が高速である高音速部材と、前記高音速部材上に積層されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、前記低音速膜上に積層されている、前記圧電膜と、前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、前記圧電膜の膜厚が、前記ＩＤＴ電極の電極指周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、１．５λを超え、３．５λ以下とされている。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記高音速部材が、高音速支持基板である。この場合には、構造の簡略化及び部品点数の低減を果たすことができる。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記高音速支持基板から、前記低音速膜と前記圧電膜との界面までのいずれかの位置に設けられている接合層がさらに備えられている。

本発明に係る弾性波装置のある特定の局面では、前記接合層は、前記高音速支持基板中、前記高音速支持基板と、前記低音速膜との界面、前記低音速膜中、または前記低音速膜と前記圧電膜との界面の内のいずれかの位置に存在する。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記高音速支持基板がシリコン基板である。この場合には、シリコン基板が加工性に優れているため、弾性波装置を容易に製造することができる。また、特性のばらつきをより一層小さくすることができる。さらに、高次モードを抑制することができる。

本発明に係る弾性波装置の別の特定の局面では、支持基板をさらに備え、前記高音速部材が前記支持基板上に設けられた高音速膜である。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記高音速膜中から、前記低音速膜と前記圧電膜との界面までのいずれかの位置に設けられている接合層がさらに備えられている。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記接合層は、前記高音速膜中、前記高音速膜と前記低音速膜との界面、前記低音速膜中、または前記低音速膜と前記圧電膜との界面のいずれかの位置に存在する。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記接合層が、金属酸化物層または金属窒化物層を含む。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記接合層がＴｉ層を含み、前記Ｔｉ層の膜厚が０．４ｎｍ以上であり、かつ２．０ｎｍ以下である。

本発明に係る弾性波装置の他の特定の局面では、前記Ｔｉ層の膜厚が０．４ｎｍ以上であり、かつ１．２ｎｍ以下である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速膜が、酸化ケイ素、あるいは酸化ケイ素を主成分とする膜からなる。この場合には、周波数温度特性を改善することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記圧電膜がＬｉＴａＯ_３からなる。この場合には、Ｑ値のより一層高い弾性波装置を提供することができる。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記低音速膜が酸化ケイ素からなり、前記接合層は、前記低音速膜中の位置に存在し、前記低音速膜が、前記接合層の前記圧電膜側に位置している、第１の低音速膜層と、前記接合層の前記圧電膜とは反対側に位置している第２の低音速膜層とを有し、前記弾性波装置が利用する弾性波の波長をλとしたときに、前記第１の低音速膜層の膜厚が、０．１２λ以上である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記第１の低音速膜層の膜厚が０．２２λ以上である。

本発明に係る弾性波装置のさらに他の特定の局面では、前記高音速膜と前記支持基板との間に配置された中間層がさらに備えられている。

本発明に係る高周波フロントエンド回路は、本発明に従って構成された弾性波装置と、パワーアンプと、を備える。

本発明に係る通信装置は、前記高周波フロントエンド回路と、ＲＦ信号処理回路と、ベースバンド信号処理回路と、を備える。

本発明に係る弾性波装置では、Ｑ値が高く、しかも圧電膜の膜厚が１．５λを超え、３．５λ以下とされており、膜厚ばらつきによる特性のばらつきが生じ難い。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る弾性波装置の略図的正面断面図及び電極構造を示す模式的平面図である。 図２は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚とＱとの関係を示す図である。 図３は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚と、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図である。 図４は、弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３膜の膜厚と、音速との関係を示す図である。 図５は、本発明の第２の実施形態に係る弾性波装置の略図的正面断面図である。 図６は、弾性波装置における高音速膜の膜厚とエネルギー集中度の関係を示す図である。 図７は、本発明の第３の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図８は、第３の実施形態及び従来例の弾性波装置のインピーダンス特性を示す図である。 図９は、本発明の第４の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図１０は、本発明の第５の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図１１は、本発明の第６の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図１２は、本発明の第７の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図１３は、本発明の第８の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。 図１４は、ＳｉＯ_２膜の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。 図１５は、Ｔｉ層の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。 図１６は、高周波フロントエンド回路の構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。

なお、本明細書に記載の各実施形態は、例示的なものであり、異なる実施形態間において、構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることを指摘しておく。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態としての弾性波装置の略図的正面断面図である。

弾性波装置１は、高音速部材としての高音速支持基板３を有する。高音速支持基板３上に、音速が相対的に低い低音速膜４が積層されている。また、低音速膜４上に圧電膜５が積層されている。この圧電膜５の上面にＩＤＴ電極６が積層されている。なお、圧電膜５の下面にＩＤＴ電極６が積層されていてもよい。

上記高音速部材と、圧電膜５との間に上記低音速膜４が配置されているため、弾性波の音速が低下する。弾性波のエネルギーは、本質的に低音速な媒質に集中する。従って、圧電膜５内及び弾性波が励振されているＩＤＴ電極６内への弾性波のエネルギーの閉じ込め効果を高めることができる。そのため、低音速膜４が設けられていない場合に比べて、本実施形態によれば、損失を低減し、Ｑ値を高めることができる。

また、高音速支持基板３は、弾性波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込め、高音速支持基板３より下の構造に漏れないように機能している。すなわち、フィルタや共振子の特性を得るために利用する特定のモードの弾性波のエネルギーは、圧電膜及び低音速膜の全体に分布し、高音速支持基板３の低音速膜４側の一部にも分布し、高音速部材の下側には分布しないことになる。高音速支持基板３により弾性波を閉じ込めるメカニズムは、非漏洩なＳＨ波であるラブ波型の表面波の場合と同様のメカニズムであり、例えば、文献「弾性表面波デバイスシミュレーション技術入門」、橋本研也著、リアライズ社、Ｐ９０-Ｐ９１に記載されている。上記メカニズムは、音響多層膜によるブラッグ反射器を用いて閉じ込めるメカニズムとは異なる。

高音速支持基板３は、後述の音速関係を満たす適宜の材料により構成することができる。このような材料としては、サファイア、アルミナ、マグネシア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、コージライト、ムライト、ステアタイトもしくはフォルステライト等の各種セラミック等の誘電体またはシリコン、窒化ガリウム等の半導体または樹脂基板等を用いることができる。本実施形態では、高音速支持基板３は、シリコンからなる。

上記高音速支持基板３は、弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込め、高音速支持基板３より下の構造に漏れないように機能する。弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込めるには、高音速支持基板３の膜厚は厚いほど望ましい。

なお、本明細書において、高音速部材とは、圧電膜を伝搬する表面波や境界波等の弾性波の音速よりも、該高音速部材中のバルク波の音速が高速となる部材を言うものとする。また、低音速膜とは、圧電膜を伝搬する弾性波よりも、該低音速膜を伝搬するバルク波の音速が低速となる膜を言うものとする。また、ある構造上のＩＤＴ電極からは様々な音速の異なるモードの弾性波が励振されることになるが、圧電膜を伝搬する弾性波とは、フィルタや共振子の特性を得るために利用する特定のモードの弾性波を示す。上記バルク波の音速を決定するバルク波のモードは、圧電膜を伝搬する弾性波の使用モードに応じて定義される。高音速部材及び低音速膜がバルク波の伝搬方向に関し等方性の場合には、下記の表１に示すようになる。すなわち、下記の表１の左軸の弾性波の主モードに対し下記の表１の右軸のバルク波のモードにより、上記高音速及び低音速を決定する。Ｐ波は縦波であり、Ｓ波は横波である。

なお、下記の表１において、Ｕ１はＰ波を主成分とし、Ｕ２はＳＨ波を主成分とし、Ｕ３はＳＶ波を主成分とする弾性波を意味する。

上記低音速膜４及び高音速支持基板３がバルク波の伝搬性において異方性である場合には下記の表２に示すように高音速及び低音速を決定するバルク波のモードが決まる。なお、バルク波のモードのうち、ＳＨ波とＳＶ波のより遅い方が遅い横波と呼ばれ、速い方が速い横波と呼ばれる。どちらが遅い横波になるかは、材料の異方性により異なる。回転Ｙカット付近のＬｉＴａＯ_３やＬｉＮｂＯ_３では、バルク波のうちＳＶ波が遅い横波、ＳＨ波が速い横波となる。

本実施形態では、上記低音速膜４は酸化ケイ素からなり、その膜厚は、特に限定されないが、ＩＤＴ電極の電極指周期で定まる弾性波の波長をλとすると、２．０λ以下であることが望ましい。低音速膜の膜厚を２．０λ以下とすることにより、膜応力を低減することができ、その結果、ウエハの反りを低減することが可能となり、良品率の向上及び特性の安定化が可能となる。

上記低音速膜４を構成する材料としては圧電膜５を伝搬する弾性波よりも低音速のバルク波音速を有する適宜の材料を用いることができる。このような材料としては、酸化ケイ素、ガラス、酸窒化ケイ素、酸化タンタル、また、酸化ケイ素にフッ素や炭素やホウ素を加えた化合物などの、上記材料を主成分とした媒質を用いることができる。

上記低音速膜及び高音速支持基板の材料としては、上記音速関係を満たす限り、適宜の材料を用いることができる。

圧電膜５は、本実施形態では、５０．０°ＹカットのＬｉＴａＯ_３、すなわちオイラー角（０°，１４０．０°，０°）のＬｉＴａＯ_３からなる。圧電膜５の膜厚は、ＩＤＴ電極６の電極指周期で定まる弾性表面波の波長をλとしたときに、１．５λを超え、３．５λ以下の範囲にあり、本実施形態では、２．０λとされている。もっとも、圧電膜５は、他のカット角のＬｉＴａＯ_３からなるものであってもよく、あるいはＬｉＴａＯ_３以外の圧電単結晶からなるものでもよい。圧電単結晶を用いることにより、材料自身の損失を小さくすることができ、デバイスの特性を良化することができる。

ＩＤＴ電極６は、本実施形態では、Ａｌからなる。もっとも、ＩＤＴ電極６は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗまたはこれらの金属のいずれかを主体とする合金などの適宜の金属材料により形成することができる。また、ＩＤＴ電極６は、これらの金属もしくは合金からなる複数の金属膜を積層した構造を有していてもよい。

図１（ａ）では略図的に示しているが、圧電膜５上に、図１（ｂ）に示す電極構造が形成されている。すなわち、ＩＤＴ電極６と、ＩＤＴ電極６の弾性波伝搬方向両側に配置された反射器７，８が形成されている。それによって、１ポート型弾性波共振子が構成されている。もっとも、本発明におけるＩＤＴ電極を含む電極構造は特に限定されず、適宜の共振子や共振子を組み合わせたラダーフィルタ、縦結合フィルタ、ラチス型フィルタ、トランスバーサル型フィルタを構成するように変形し得る。

弾性波装置１では、上記高音速支持基板３、低音速膜４及び圧電膜５が積層されているため、特許文献１に記載の弾性波装置と同様に、Ｑ値を高めることができる。特に、圧電膜５の厚みが、１．５λを超え、３．５λ以下の範囲内とされているため、Ｑ値を高め得るだけでなく、圧電膜５の膜厚のばらつきによる特性のばらつきを抑制することができる。これを、図２〜図４を参照して説明する。

図２は、シリコンからなる高音速支持基板３上に、厚み０．３５λのＳｉＯ_２膜からなる低音速膜４及びオイラー角（０°，１４０．０°，０°）のＬｉＴａＯ_３からなる圧電膜５を積層した弾性波装置におけるＬｉＴａＯ_３の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。ここで、図２の縦軸は、共振子のＱ特性と比帯域(Δf）との積であり、デバイス特性の良し悪しを判断する一つの指標として一般的に用いられる。また、図３は、ＬｉＴａＯ_３の膜厚と、周波数温度係数ＴＣＦとの関係を示す図である。図４は、ＬｉＴａＯ_３の膜厚と音速との関係を示す図である。図２から明らかなように、ＬｉＴａＯ_３の膜厚が３．５λ以下の場合、３．５λを超えた場合に比べて、Ｑ値が高くなり、Ｑ特性が良好となることがわかる。より好ましくは、Ｑ値を高めるには、ＬｉＴａＯ_３の膜厚は、２．５λ以下であることが望ましい。

また、図３により、ＬｉＴａＯ_３の膜厚が２．５λ以下の場合、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値が２．５λを超えた場合に比べて小さくし得ることがわかる。より好ましくは、２λ以下の範囲では、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を１０ｐｐｍ／℃以下とすることができ、望ましい。

図４から明らかなように、ＬｉＴａＯ_３の膜厚が１．５λを超えると、ＬｉＴａＯ_３膜厚変化による音速の変化が極めて小さいことがわかる。従って、ＬｉＴａＯ_３の膜厚による周波数依存性が著しく小さくなるため、膜厚変化による周波数温度特性のばらつきが非常に小さくなることがわかる。

また、本実施形態の弾性波装置１では、高音速支持基板３がシリコンからなる。シリコンからなる高音速支持基板３では、加工性が良好である。しかも、高次モードを効果的に抑制することができる。

また、低音速膜４が、ＳｉＯ_２からなるため、それによっても、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値を小さくすることができる。

圧電膜５として、ＬｉＴａＯ_３を用いており、圧電膜５の膜厚が上記特定の範囲とされているため、圧電膜５の膜厚がばらついたとしても、Ｑ値が十分に高く、しかも特性のばらつきが小さくされている。

圧電膜および低音速膜および高音速支持基板の少なくとも１つの境界に、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層の内の少なくとも１つの層が形成されても良い。

なお、上記実施形態では、高音速支持基板３上に、低音速膜４、圧電膜５及びＩＤＴ電極６がこの順序で積層されていたが、図５に示す第２の実施形態のように、支持基板２上に高音速部材としての高音速膜３Ａを積層してもよい。この場合の支持基板２としては、シリコン、アルミナ、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、水晶等の圧電体、ジルコニアなどの各種セラミック、ガラス等の誘電体などの適宜の材料を用いることができる。

第２の実施形態においても、圧電膜５の膜厚は、第１の実施形態と同様に１．５λを超え、３．５λ以下とされているため、Ｑ値が高く、かつ圧電膜５の膜厚ばらつきによる特性のばらつきを小さくすることができる。本願発明者らは、第１、第２の実施形態において、Ｑ特性が良化する領域、ＴＣＦが改善する領域、周波数が安定する領域は同じとなることを確認した。従って、第１の実施形態における図２〜４の結果は、第２の実施形態にも当てはまる。

第２の実施形態では、弾性波を閉じ込める機能は高音速膜３Ａが担っており、メインの振動のモードは支持基板には漏洩しない。つまり、支持基板は膜構造を支持することさえできれば、いかなる音速の材料でも使用することが可能となる。つまり、支持基板の選択の自由度を高めることができる。

また、第１、第２の実施形態の弾性波装置を形成するために接合層を用いる場合があるが、第１の実施形態の場合には接合層をメインのモードが励振される領域に配置する必要がある。そのため、特性のばらつきの原因となる。一方、第２の実施形態の場合には、接合層を高音速膜内、若しくは、支持基板側に配置することにより、メインのモードが届かないところに接合層を配置することができる。よって、第２の実施形態の方が、特性のばらつきが生じ難い。

また、高音速膜３Ａと支持基板２との間に誘電体膜を挟んでも良い。例えば、高音速膜３Ａと支持基板２との間に低音速膜を配置することにより、メインの振動のモードは変えずに、不要な高次モードのみ支持基板側に引き込むことが可能となる。従って、第２の実施形態では高次モードの抑制を容易に果たし得る。

また、高音速膜３Ａは、弾性表面波を圧電膜５及び低音速膜４に閉じ込める機能を有し、高音速膜３Ａの膜厚は厚いほど望ましい。図６に示すように、ＡｌＮ膜からなる高音速膜の膜厚を０．３λ以上にすることで、共振点でのエネルギー集中度を１００％とすることができる。さらに、０．５λ以上とすることにより、反共振点でのエネルギー集中度も１００％とすることができ、さらに良好なデバイス特性を得ることができる。

圧電膜および低音速膜および高音速膜および支持基板の少なくとも１つの境界に、密着層、下地膜、低音速層及び高音速層の内の少なくとも１つの層が形成されていても良い。

さらに、第２の実施形態では、ＩＤＴ電極６を覆うように誘電体膜９が積層されている。この誘電体膜９としては、ＳｉＯ_２、ＳｉＮなどを用いることができる。好ましくは、ＳｉＯ_２が用いられ、その場合には、周波数温度係数ＴＣＦの絶対値をより一層小さくすることができる。なお、第１の実施形態においても、誘電体膜９を設けてもよい。

前述したように、第１，第２の実施形態の弾性波装置を形成するために接合層を用いた方法が存在する。このような接合層を有する構造を、以下の第３の実施形態〜第８の実施形態に係る弾性波装置を例にとり説明することとする。

図７は、第３の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。第３の実施形態の弾性波装置１１では、支持基板２上に、第１の酸化ケイ素膜１２が積層されている。第１の酸化ケイ素膜１２上に、高音速膜３Ａが積層されている。高音速膜３Ａ上に、低音速膜４としての第２の酸化ケイ素膜が積層されている。低音速膜４は、低音速膜層４ａと低音速膜層４ｂとを接合層１３で接合した構造を有する。低音速膜４上に、圧電膜５が積層されている。上記のように、中間層としての第１の酸化ケイ素膜１２を有すること、低音速膜４が、低音速膜層４ａ，４ｂを有し、接合層１３が設けられていることを除いては、弾性波装置１１は、第２の実施形態の弾性波装置と同様とされている。

弾性波装置１１において、弾性波を圧電膜５及び低音速膜４が積層されている部分に閉じ込めるには、高音速膜３Ａの膜厚が厚いほど望ましい。従って、高音速膜の膜厚は、弾性表面波の波長をλとしたとき、λの０．５倍以上、さらには１．５倍以上が望ましい。接合層１３は、後述する製造方法から明らかなように、金属拡散接合により形成される部分であり、本実施形態では、Ｔｉ酸化物からなる。

また、Ｔｉに限らず、他の金属を用いてもよい。このような金属としては、Ａｌなどを挙げることができる。また、接合層１３は、金属酸化物ではなく、ＴｉやＡｌなどの金属により形成されてもよい。もっとも、好ましくは、電気的絶縁を図り得るため、金属酸化物または金属窒化物が好ましい。特に、接合力が高いため、Ｔｉの酸化物または窒化物が望ましい。

本実施形態の弾性波装置１１では、高音速膜３Ａ上に低音速膜４が積層されており、低音速膜４上に圧電膜５が積層されているので、特許文献１に記載の弾性波装置と同様にＱ値の増大を図ることができる。加えて、本実施形態では、金属拡散による接合層１３が、低音速膜４内に位置しているため、製造に際して、マザーのウエハ段階での反りが生じ難い。従って、最終的に得られる弾性波装置１１においても、圧電膜５などの反りが生じ難い。よって、特性の劣化が生じ難い。加えて、製造時のウエハ搬送工程や製品の搬送時等において、圧電膜５や支持基板２などの割れも生じ難い。これを、以下の製造方法を説明することにより、より具体的に説明する。

弾性波装置１１の製造に際しては、支持基板２上に第１の酸化ケイ素膜１２及び高音速膜３Ａを積層する。その後、高音速膜３Ａ上に、低音速膜４を形成するために、第２の酸化ケイ素膜を積層し、第１の積層体を得る。別途、圧電膜の片面にＩＤＴ電極が形成されており、反対側の面に酸化ケイ素膜が形成されている第２の積層体を用意する。

そして、第１の積層体の酸化ケイ素膜面と、第２の積層体の上記酸化ケイ素膜面に、それぞれ、Ｔｉ層を積層する。次に、第１，第２の積層体のＴｉ層同士を接触させ、加熱下において接合する。この場合、接合されている両側のＴｉが相互に拡散する。それによって、金属拡散接合により、接合層１３が形成される。また、Ｔｉ層に、酸化ケイ素膜側から酸素が供給される。よって、この接合層１３は、Ｔｉ酸化物からなることになる。従って、十分な電気的絶縁を図ると共に、第１及び第２の積層体を強固に接合する。

このようにして得られた積層体を個々の弾性波装置１１単位に切断する。それによって、弾性波装置１１を得ることができる。

本実施形態では、上記接合層１３が、低音速膜４中に位置しているため、第１及び第２の積層体を接合した積層体を得た段階で反りが生じ難い。

本願発明者らは、特許文献１に記載の弾性波装置を、金属拡散接合を利用して接合した場合、第１及び第２の積層体を接合した積層体において圧電膜に反りが生じることを見出した。そして、反りが生じている積層体を切断して得られた弾性波装置では、共振特性などの電気的特性においてリップルが現れることがあった。他方、接合後に、加熱下においてプレス成型したりして反りを解消することもできる。しかしながら、この反りを解消する加工を施したとしても、上記電気的特性の劣化は回復しなかった。従って、反りにより、マイクロクラックなどが圧電膜に生じているものと考えられる。

本願発明者らは、上記反りについてさらに検討した結果、本実施形態のように低音速膜４中に接合層１３が設けられるように、第１，第２の積層体の構成を選択すれば、上記反りを効果的に抑制し得ることを見出した。

特許文献１では、圧電膜、低音速膜及び高音速膜からなる積層構造と、媒質層及び支持基板からなる積層構造とを接合していた。そのため、接合前の圧電膜に大きな膜応力が加わっていた。従って、第１及び第２の積層体を接合した積層体段階で圧電膜に比較的大きな反りが生じがちであった。

これに対して、本実施形態では、第２の積層体では、圧電膜に、酸化ケイ素膜が積層されているだけであるため、圧電膜に大きな膜応力が加わっていない。そのため、接合により得られた積層体においても、圧電膜５にかかる応力が小さいため、反りが生じ難い。よって、上記のように電気的特性の劣化が生じ難い。また、割れも生じ難い。この点について、具体的な実験例に基づき説明する。

上記弾性波装置１１として、１ポート型の弾性波共振子を作製した。なお、ＩＤＴ電極の電極指の対数は１００対、電極指の交叉幅は２０λ、電極指ピッチで定まる波長は２．０μｍとした。反射器については、電極指の本数を２０本とした。ＩＤＴ電極６及び反射器は、Ａｌからなる金属で形成し、厚みは１６０ｎｍとした。

図８に上記第３の実施形態の実施例の共振特性を実線で示す。また、比較のために、接合層１３が第１の酸化ケイ素膜１２中に設けられていることを除いては、上記実施形態の実施例と同様にして弾性波装置を作製した。この従来例の弾性波装置の共振特性を図８に破線で示す。図８から明らかなように、従来例では、リップルが、共振点と反共振点との間に現れている。これに対して、実施例によれば、共振点と反共振点との間のこのようなリップルが現れていないことがわかる。また、共振点における波形も従来例に比べて実施例によれば鋭くなっており、インピーダンス特性の山谷比も大きくなっていることがわかる。

上記のように、実施例の共振特性が従来例の共振特性に比べて高められているのは、前述したような反りに基づくマイクロクラックが生じていないためと考えられる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。

第４の実施形態の弾性波装置２１では、支持基板２上に、第１の酸化ケイ素膜１２、高音速膜３Ａ、低音速膜４、圧電膜５及びＩＤＴ電極６が積層されている。第４の実施形態の弾性波装置２１では、接合層１３は、高音速膜３Ａ中に存在している。すなわち、高音速膜３Ａは、高音速膜層３Ａ１，３Ａ２を有し、高音速膜層３Ａ１と高音速膜層３Ａ２との間に接合層１３が形成されている。

本実施形態においても、製造に際しては圧電膜上に、低音速膜及び高音速膜層が設けられている第２の積層体を用意すればよい。従って、圧電膜において反りが生じ難い。従って、第１の実施形態と同様に、弾性波装置２１においても電気的特性の劣化は生じ難い。また、ウエハ段階や最終的に得られた弾性波装置２１における圧電膜の割れも生じ難い。

図１０は、本発明の第５の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。

第５の実施形態の弾性波装置３１では、支持基板２上に、第１の酸化ケイ素膜１２、高音速膜３Ａ、第２の酸化ケイ素膜４Ｂ、接合層１３、第３の酸化ケイ素膜４Ａ、圧電膜５及びＩＤＴ電極６がこの順序で積層されている。ここで、第２の酸化ケイ素膜４Ｂ及び第３の酸化ケイ素膜４Ａは、いずれも低音速膜である。接合層１３は、本実施形態では、低音速膜としての第２の酸化ケイ素膜４Ｂと、第３の酸化ケイ素膜４Ａとの間の界面に位置している。

本実施形態においても、製造に際して圧電膜上に、第３の酸化ケイ素膜４Ａが設けられている第２の積層体を用意すればよい。従って、圧電膜において反りが生じ難い。従って、弾性波装置３１においても電気的特性の劣化が生じ難い。また、ウエハ段階や最終的に得られた弾性波装置３１における圧電膜の割れも生じ難い。

図１１は、本発明の第６の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。

第６の実施形態の弾性波装置４１では、支持基板２上に、第１の酸化ケイ素膜１２、高音速膜３Ａ、低音速膜４、圧電膜５及びＩＤＴ電極６が積層されている。接合層１３は、低音速膜４と圧電膜５との界面に位置している。

本実施形態においても、製造に際して圧電膜にＩＤＴ電極を積層してなる第２の積層体を用意すればよい。従って、圧電膜において反りが生じ難い。従って、弾性波装置４１においても電気的特性の劣化が生じ難い。また、ウエハ段階や最終的に得られた弾性波装置４１における圧電膜の割れも生じ難い。

第３〜第６の実施形態の弾性波装置のように、高音速膜３Ａ中から低音速膜４と圧電膜５との界面までのいずれかの位置に接合層１３が設けられておればよい。

図１２は、本発明の第７の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。

弾性波装置５１では、高音速支持基板３上に低音速膜４が積層されている。低音速膜４上に圧電膜５が積層されている。圧電膜５上に、ＩＤＴ電極６が形成されている。特に図示はしないが、ＩＤＴ電極６の弾性波伝搬方向両側には反射器が設けられており、それによって１ポート型弾性波共振子が構成されている。

接合層１３は、酸化ケイ素からなる低音速膜４中に位置している。すなわち、第１の低音速膜層４ａと、第２の低音速膜層４ｂとの界面に接合層１３が設けられている。従って、製造に際しては、圧電膜５にＩＤＴ電極６及び第１の低音速膜層４ａを積層してなる第２の積層体を用意すればよい。そのため、第２の積層体において、圧電膜５に大きな膜応力が加わり難い。従って、圧電膜において反りが生じ難い。

製造に際しては、上記第２の積層体の低音速膜層の露出している面にＴｉやＡｌなどの金属層を形成する。しかる後、マザーの高音速支持基板上に低音速膜層が積層されている第１の積層体を用意する。この第１の積層体の低音速膜層上にＴｉなどの金属層を形成する。しかる後、第１，第２の積層体を、金属層同士を接触させて加熱下で接合する。このようにして、第３の実施形態の弾性波装置１１と同様にして、接合層１３を形成することができる。

その後、得られた積層体を切断し、個々の弾性波装置５１を得ればよい。

本実施形態においても、接合層１３が上記の位置に設けられているため、製造に際し、圧電膜段階で反りが生じ難い。よって、電気的特性の劣化が生じ難い。また、第２の積層体段階、製品の搬送時に、圧電膜５に割れやマイクロクラックが生じ難い。

図１３は、本発明の第８の実施形態に係る弾性波装置の模式的正面断面図である。弾性波装置６１では、接合層１３が、圧電膜５と低音速膜４との界面に位置している。その他の点は、弾性波装置６１は弾性波装置５１と同様である。

弾性波装置６１においても、接合層１３が圧電膜５側に近い位置に位置している。従って、接合前の第２の積層体段階において圧電膜５に反りが生じ難い。従って、第７の実施形態の弾性波装置５１と同様に、電気的特性の劣化が生じ難い。また、製造工程における圧電膜５の反りが生じ難いため、割れやマイクロクラックも生じ難い。また製品搬送時等においても圧電膜５に反りが生じ難いため、割れやマイクロクラックが生じ難い。

弾性波装置５１，６１のように高音速支持基板３を用いた構造においても、高音速支持基板３と低音速膜４との間にさらに他の中間層が積層されていてもよい。すなわち、高音速支持基板３上に間接に低音速膜４が積層されていてもよい。いずれにしても、高音速支持基板３を用いた構造では、接合層１３は、低音速膜４中または圧電膜５と低音速膜４との界面の内のいずれかに位置しておればよい。

次に、以下において、低音速膜の膜厚と、Ｑ値との関係を説明する。

図１２に示した第７の実施形態に係る弾性波装置５１において、第１の低音速膜層４ａの膜厚を変化させ、種々の弾性波装置を作製した。より具体的には、Ｓｉからなる高音速支持基板３を用いた。第２の低音速膜層４ｂとしては厚み５５ｎｍのＳｉＯ_２膜を用いた。接合層１３として、Ｔｉ膜を用い、厚みは０．５ｎｍとした。圧電膜５として、６００ｎｍのＬｉＴａＯ_３膜を用いた。ＩＤＴ電極における電極指ピッチで定まる波長λは、２μｍとした。圧電膜５に接している第１の低音速膜層４ａを、酸化ケイ素としてのＳｉＯ_２により形成し、膜厚を異ならせた。

図１４に、第１の低音速膜層４ａとしてのＳｉＯ_２膜の膜厚と、Ｑ値との関係を示す。

第１の低音速膜層４ａとしてのＳｉＯ_２膜の膜厚が厚くなるほど、Ｑ値が高くなっていることがわかる。ＳｉＯ_２膜の膜厚が、２４０ｎｍ以上、すなわち０．１２λ以上としたときには、１０００を越える高いＱ値を得られている。ＳｉＯ_２膜の膜厚が４４０ｎｍ以上、すなわち０．２２λ以上では、Ｑ値の変動が小さくなり、ほぼ一定になっている。よって、ＳｉＯ_２膜の膜厚を０．２２λ以上とすることにより、Ｑ値がほぼ一定となり、ばらつきを小さくし得ることがわかる。このように、好ましくは、圧電膜５に接している低音速膜層を酸化ケイ素により形成した場合には、そのＳｉＯ_２膜の膜厚を０．１２λ以上とすることが望ましい。より好ましくは、ＳｉＯ_２膜の膜厚を０．２２λ以上とすることが望ましい。

なお、第１の低音速膜層４ａとしてのＳｉＯ_２膜の膜厚は２λ以下とすることが好ましい。それによって、膜応力を小さくすることができる。

次に、接合層のＴｉ層の膜厚と、Ｑ値との関係を説明する。

図１０に示した第５の実施形態の弾性波装置３１を、接合層１３のＴｉ層の膜厚をそれぞれ異ならせて作製した。より具体的には、高音速膜３Ａは、Ｓｉにより形成した。接合層１３は、Ｔｉ層及びＴｉ酸化物層により形成した。Ｔｉ酸化物層が高音速膜３Ａ側に位置し、Ｔｉ層が圧電膜５側に位置するように、接合層１３を形成した。Ｔｉ酸化物層の厚みを５０ｎｍとした。低音速膜は、ＳｉＯ_２により形成し、厚みを７００ｎｍとした。圧電膜５はＬｉＴａＯ_３により形成し、厚みを６００ｎｍとした。弾性波装置３１が利用する弾性波としての弾性表面波の波長λを２μｍとした。

図１５は、接合層としてのＴｉ層の膜厚と、Ｑ値との関係を示す図である。

接合層のＴｉ層の膜厚が小さくなるほど、Ｑ値が大きくなっていることがわかる。特に、Ｔｉ層の膜厚を２．０ｎｍ以下、すなわち１×１０^−３λ以下としたときには、１０００を越える高いＱ値を得られている。Ｔｉ層の膜厚が１．２ｎｍ以下、すなわち０．６×１０^−３λ以下では、Ｑ値の変動が小さくなり、ほぼ一定になっている。よって、接合層のＴｉ層の膜厚を１．２ｎｍ以下、あるいは０．６×１０^−３λ以下とすることにより、Ｑ値がほぼ一定となり、ばらつきを小さくし得ることがわかる。このように、好ましくは、Ｔｉ層の膜厚を２．０ｎｍ以下とすることが望ましく、より好ましくは、Ｔｉ層の膜厚を１．２ｎｍ以下とすることが望ましい。

なお、Ｔｉ層の膜厚は０．４ｎｍ以上とすることが好ましい。それによって、上記第１の積層体と上記第２の積層体とを好適に接合することができる。

図１６は、高周波フロントエンド回路１３０の構成図である。なお、同図には、高周波フロントエンド回路１３０と接続される各構成要素（アンテナ素子１０２、ＲＦ信号処理回路（ＲＦＩＣ）１０３、及び、ベースバンド信号処理回路（ＢＢＩＣ）１０４）についても併せて図示されている。高周波フロントエンド回路１３０とＲＦ信号処理回路１０３とベースバンド信号処理回路１０４は、通信装置１４０を構成している。なお、通信装置１４０は、電源やＣＰＵ、ディスプレイを含んでいても良い。

高周波フロントエンド回路１３０は、アンテナ側スイッチ１２５と、クワッドプレクサ１０１と、受信側スイッチ１１３及び送信側スイッチ１２３と、ローノイズアンプ回路１１４と、パワーアンプ回路１２４と、を備える。なお、弾性波装置１は、クワッドプレクサ１０１であってもよいし、フィルタ１１１、１１２、１２１、１２２の少なくとも１つであってもよい。

受信側スイッチ１１３は、クワッドプレクサ１０１の受信端子である個別端子１１１Ａ及び個別端子１２１Ａに個別に接続された２つの選択端子、ならびに、ローノイズアンプ回路１１４に接続された共通端子を有するスイッチ回路である。

送信側スイッチ１２３は、クワッドプレクサ１０１の送信端子である個別端子１１２Ａ及び個別端子１２２Ａに個別に接続された２つの選択端子、ならびに、パワーアンプ回路１２４に接続された共通端子を有するスイッチ回路である。

これら受信側スイッチ１１３及び送信側スイッチ１２３は、それぞれ、制御部（図示せず）からの制御信号に従って、共通端子と所定のバンドに対応する信号経路とを接続し、例えば、ＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）型のスイッチによって構成される。なお、共通端子と接続される選択端子は１つに限らず、複数であってもかまわない。つまり、高周波フロントエンド回路１３０は、キャリアアグリゲーションに対応してもかまわない。

ローノイズアンプ回路１１４は、アンテナ素子１０２、クワッドプレクサ１０１及び受信側スイッチ１１３を経由した高周波信号（ここでは高周波受信信号）を増幅し、ＲＦ信号処理回路１０３へ出力する受信増幅回路である。

パワーアンプ回路１２４は、ＲＦ信号処理回路１０３から出力された高周波信号（ここでは高周波送信信号）を増幅し、送信側スイッチ１２３及びクワッドプレクサ１０１を経由してアンテナ素子１０２に出力する送信増幅回路である。

ＲＦ信号処理回路１０３は、アンテナ素子１０２から受信信号経路を介して入力された高周波受信信号を、ダウンコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された受信信号をベースバンド信号処理回路１０４へ出力する。また、ＲＦ信号処理回路１０３は、ベースバンド信号処理回路１０４から入力された送信信号をアップコンバートなどにより信号処理し、当該信号処理して生成された高周波送信信号をパワーアンプ回路１２４へ出力する。ＲＦ信号処理回路１０３は、例えば、ＲＦＩＣである。ベースバンド信号処理回路１０４で処理された信号は、例えば、画像信号として画像表示のために、または、音声信号として通話のために使用される。なお、高周波フロントエンド回路１３０は、上述した各構成要素の間に、他の回路素子を備えていてもよい。

以上のように構成された高周波フロントエンド回路１３０及び通信装置１４０によれば、上記クワッドプレクサ１０１を備えることにより、通過帯域内のリップルを抑制することができる。

なお、高周波フロントエンド回路１３０は、上記クワッドプレクサ１０１に代わり、クワッドプレクサ１０１の変形例に係るクワッドプレクサを備えてもかまわない。

（その他の実施の形態）
以上、本発明の実施形態に係る弾性波装置、高周波フロントエンド回路及び通信装置について、実施形態及びその変形例を挙げて説明したが、本発明は、上記実施形態及び変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施形態や、上記実施形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本発明に係る高周波フロントエンド回路及び通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

例えば、上記説明では、弾性波装置として、クワッドプレクサであってもよいし、フィルタであってもよいとしたが、本発明は、クワッドプレクサに加えて、例えば、３つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたトリプレクサや、６つのフィルタのアンテナ端子が共通化されたヘキサプレクサ等のマルチプレクサについても適用することができる。マルチプレクサは、２以上のフィルタを備えていればよい。

さらには、マルチプレクサは、送信フィルタ及び受信フィルタの双方を備える構成に限らず、送信フィルタのみ、または、受信フィルタのみを備える構成であってもかまわない。

本発明は、フィルタ、マルチバンドシステムに適用できるマルチプレクサ、フロントエンド回路及び通信装置として、携帯電話等の通信機器に広く利用できる。

１…弾性波装置
２…支持基板
３…高音速支持基板
３Ａ…高音速膜
３Ａ１，３Ａ２…高音速膜層
４…低音速膜
４ａ，４ｂ…低音速膜層
４Ａ…第３の酸化ケイ素膜
４Ｂ…第２の酸化ケイ素膜
５…圧電膜
６…ＩＤＴ電極
７，８…反射器
９…誘電体膜
１１，２１，３１，４１，５１，６１…弾性波装置
１２…第１の酸化ケイ素膜
１３…接合層
１０１…クワッドプレクサ
１０２…アンテナ素子
１０３…ＲＦ信号処理回路
１０４…ベースバンド信号処理回路
１１１，１１２，１２１，１２２…フィルタ
１１１Ａ，１１２Ａ，１２１Ａ，１２２Ａ…個別端子
１１３…受信側スイッチ
１１４…ローノイズアンプ回路
１２３…送信側スイッチ
１２４…パワーアンプ回路
１２５…アンテナ側スイッチ
１３０…高周波フロントエンド回路
１４０…通信装置

Claims (12)

1. 圧電膜を有する弾性波装置であって、
   前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が高速である高音速部材と、
   前記高音速部材上に積層されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、
   前記低音速膜上に積層されている、前記圧電膜と、
   前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、
   前記圧電膜の膜厚が、前記ＩＤＴ電極の電極指周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、１．５λを超え、３．５λ以下とされており、
   前記高音速部材が、高音速支持基板であり、
   前記高音速支持基板から、前記低音速膜と前記圧電膜との界面までのいずれかの位置に設けられている接合層をさらに備え、
   前記低音速膜が酸化ケイ素からなり、前記接合層は、前記低音速膜中の位置に存在し、前記低音速膜が、前記接合層の前記圧電膜側に位置している、第１の低音速膜層と、前記接合層の前記圧電膜とは反対側に位置している第２の低音速膜層とを有し、前記弾性波装置が利用する弾性波の波長をλとしたときに、前記第１の低音速膜層の膜厚が、０．１２λ以上である、弾性波装置。
2. 圧電膜を有する弾性波装置であって、
   前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が高速である高音速部材と、
   前記高音速部材上に積層されており、前記圧電膜を伝搬する弾性波音速よりも、伝搬するバルク波音速が低速である低音速膜と、
   前記低音速膜上に積層されている、前記圧電膜と、
   前記圧電膜の一方面に形成されているＩＤＴ電極とを備え、
   前記圧電膜の膜厚が、前記ＩＤＴ電極の電極指周期で定まる弾性波の波長をλとしたときに、１．５λを超え、３．５λ以下とされており、
   支持基板をさらに備え、前記高音速部材が前記支持基板上に設けられた高音速膜であり、
   前記高音速膜中から、前記低音速膜と前記圧電膜との界面までのいずれかの位置に設けられている接合層をさらに備え、
   前記低音速膜が酸化ケイ素からなり、前記接合層は、前記低音速膜中の位置に存在し、前記低音速膜が、前記接合層の前記圧電膜側に位置している、第１の低音速膜層と、前記接合層の前記圧電膜とは反対側に位置している第２の低音速膜層とを有し、前記弾性波装置が利用する弾性波の波長をλとしたときに、前記第１の低音速膜層の膜厚が、０．１２λ以上である、弾性波装置。
3. 前記高音速支持基板がシリコン基板である、請求項１に記載の弾性波装置。
4. 前記接合層が、金属酸化物層または金属窒化物層を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
5. 前記接合層がＴｉ層を含み、前記Ｔｉ層の膜厚が０．４ｎｍ以上であり、かつ２．０ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の弾性波装置。
6. 前記Ｔｉ層の膜厚が０．４ｎｍ以上であり、かつ１．２ｎｍ以下である、請求項５に記載の弾性波装置。
7. 前記低音速膜が、酸化ケイ素、あるいは酸化ケイ素を主成分とする膜からなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の弾性波装置。
8. 前記圧電膜がＬｉＴａＯ_３からなる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の弾性波装置。
9. 前記第１の低音速膜層の膜厚が０．２２λ以上である、請求項１または２に記載の弾性波装置。
10. 前記高音速膜と前記支持基板との間に配置された中間層をさらに備える、請求項２に記載の弾性波装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の弾性波装置と、
    パワーアンプと、
    を備える、高周波フロントエンド回路。
12. 請求項１１に記載の高周波フロントエンド回路と、
    ＲＦ信号処理回路と、
    ベースバンド信号処理回路と、
    を備える、通信装置。

Images